Hard és szoft módszerek infokommunikációs rendszerek és kapcsolódó folyamatok hatékony modellezéséhez és szimulációjához

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Híradástechnikai Tanszék Muka László: Hard és szoft módszerek infokommunikációs rendszerek és kapcsolódó folyamatok hatékony modellezéséhez és szimulációjához PhD értekezés tézisei Témavezető: Dr. Lencse Gábor Budapest, 2011.

2 A KUTATÁSOK ELŐZMÉNYE Igaz, hogy a számítástechnika fejlődése egyre nagyobb számítási teljesítményt tesz elérhetővé a szimuláció számára, azonban ezzel együtt növekszik az igény az egyre komplexebb rendszerek szimulációjára, ahol a szükséges teljesítmény könnyen meghaladhatja a rendelkezésre állót. Egy szervezet ICT (Information and Communication Technology) és kapcsolódó BP (Business Process) rendszereinek jelentős hatása lehet egymásra (forgalmat és terhelést generálnak egymásnak), ezért az együttes modellezés és szimuláció nemcsak pontosabb eredményeket szolgáltathat, hanem hasznos eszközt ad a vállalati ICT és a BP rendszerek teljesítményének az üzleti céloknak megfelelő összehangolásához. Az ICT rendszerek és a kapcsolódó BP rendszerek együttes szimulációja során szükség lehet olyan nagy és komplex rendszerek vizsgálatára, ahol a szimuláció erőforrásigénye meghaladhatja a rendelkezésre álló számítási teljesítményt. A szimuláció hatékonyságának növelése lehetővé teszi komplexebb szimulációs vizsgálatok elvégzését. A szimulációs folyamat hatékonyságát több módszertani tényező is befolyásolja. Ilyenek a modellezésben gyakran előforduló strukturálatlan problémák [Pidd, 1991] és a módszerek hatékony alkalmazhatóságának problémái [Jackson és Keys, 1984]. A szimuláció hatékonyságát a szimuláció gyorsításán keresztül növelik az ismert párhuzamos szimulációs módszerek ([Fujimoto, 1990] és [Lencse, 1998]), illetve ugyanerre szolgál a TFA (Traffic Flow Analysis) nevű gyors, közelítő módszer is [Lencse, 2001]. A gyors módszerek hatékonyságra gyakorolt hatása erősen függ attól, hogy a szimulációs folyamatban kellően korán meg tudjuk-e hozni a döntést az alkalmazásukról, illetve attól is, hogy hogyan tudjuk együtt használni őket a részletes szimulációhoz alkalmazott módszerekkel. Olyan módszerek kidolgozására van szükség, amelyek e tényezők figyelembe vételével növelik a szimuláció hatékonyságát oly módon, hogy nemcsak a közvetlen hatékonyságra vannak figyelemmel amely a kívánt eredmények és az elérésükhöz felhasznált erőforrások arányával jeleníthető meg, hanem figyelembe veszik a modellezés és szimuláció teljes folyamatát. 2

3 CÉLKITŰZÉSEK A szimuláció hatékonysága alatt a teljes szimulációs folyamat hatékonyságát értem, mely folyamat a vizsgálandó rendszer szimulációs modelljének kidolgozására vonatkozó igény azonosításától és elemzésétől a szimuláció eredményeinek implementálásához nyújtott támogatásig terjed. A szervezeti ICT és kapcsolódó BP rendszereinek együttes vizsgálata során a szimuláció hatékonyságát befolyásolhatja a szervezet, mint a szimuláció folyamatának szélesebb környezete az időben és a rendszerek tekintetében. PhD kutatásom célja hard- és szoft-rendszer módszerek és alkalmazásuk módszereinek kutatása a szimuláció hatékonyságának növeléséhez a következők szerint: 1. A szimuláció teljes folyamatát lefedő módszerkészlet kutatása és kidolgozása. Az ICT és a kapcsolódó BP rendszerek tervezésére és fejlesztésére vonatkozó szimulációs feladatok rendszerint nem strukturáltan, többszereplős környezetben fogalmazódnak meg, ezért a hatékony szimulációhoz fontos a szimulációs modellezést támogató szoft-rendszer módszerek kutatása. 2. A szimuláció teljes folyamatát lefedő módszerkészlet hatékony alkalmazása módszertanának (szimulációs meta-módszer) kutatása és létrehozása. 3. A szimuláció gyorsítása, gyors módszerek fejlesztése és alkalmazása a szimuláció hatékonysága növelésének fontos lehetősége. Továbbfejlesztem az ígéretes, ICT rendszerekben gyors modellezésre alkalmazható TFA módszert és kidolgozom a TFA módszer kiterjesztését BP rendszerekre. 4. Kidolgozom a gyors, közelítő és a részletes módszerek együttes alkalmazásának módszerét az ICT és kapcsolódó BP rendszerek előzetes és részletes modellezéséhez. Az ICT és BP rendszerek modellezésére és szimulációjára (együttesen is) vonatkozó növekvő igény adja a célkitűzésekben megfogalmazott feladatok aktualitását. Az ICT és BP rendszerek együttes vizsgálata igényének rendszeres megjelenésére jó példa a vállalatok ERP (Enterprise Resource Planning) rendszerének változásmenedzsmentje. A kijelölt feladatok kutatásának jelentősége elsősorban abban van, hogy az így kidolgozott módszerekkel lehetőség nyílik komplex rendszerek hatékony vizsgálatára is. 3

4 VIZSGÁLATI MÓDSZEREK A kutatás kitűzött céljainak eléréséhez az alábbi módszereket és megközelítéseket használtam. A Szimulációs meta-módszer téziscsoport: A modellezés és szimuláció hatékonyságának meta-szintű vizsgálatához bevezettem a dinamikus szimulációs problémakontextus koncepcióját, és hatékonyság rendszer megközelítésű kritériumait alkalmaztam: az efficiency (E1), efficacy (E2) és effectiveness (E3) teljesítmény kritériumokat a Checkland-féle rendszerperformacia kritériumok alapján definiálva [Checkland, 1989] kibővítve a rés-hatékonyság (Eg) kritériumával. Az ICT és BP rendszerek egyszerű-komplex rendszerjellemzőinek és a módszerek szoft-hard jellemzőinek figyelembevételéhez kettő- és négy-állapotú problémakontextus-típus modelleket használtam (a módszerek alkalmas kategorizálásával együtt) amelyek rendszerelméleti és szoft-operációkutatási megközelítéseken alapulnak, [Jackson and Keys, 1984], [Checkland, 1989]. A definiált szimulációs meta-módszer (Simulation Meta-Methodology, SMM) hosszú távú jellemzőinek vizsgálatához (konvergencia, leállási kritériumok) egy új modellt, az információ visszakeresésen alapuló problémakontextus-visszakeresési modellt alkalmaztam. A szoft-hard problémakontextus-átmenet hatékonyságának kezeléséhez egy új módszert, az MCMM (Modified Conceptual Modelling Methodology) módszert alkalmaztam. Az MCMM modellekhez, az SSM (Soft Systems Methodology [Checkland, 1989]) koncepcionális modelljeinek felkeményítését illetve vállalatmodellezési és információs-rendszer modellezési megközelítéseket használtam. Az SMM működésének vizsgálatát az SMM implementációjának kifejtésével és publikált módszerrel [Sierhuis és Clancey, 2002] a teljesítménykritériumok alapján történő összehasonlító elemzéssel végeztem. Az MCMM működésének vizsgálatát egy CRM (Customer Relationship Management) esettanulmány valamint egy BP modellező eszközön történő implementálási módszer részletes kifejtésével végeztem. A formális elemzésekben gráf modelleket és a matematikai analízist használtam. 4

5 A Gyors és együttműködő modellek téziscsoport: A TFA térbeli szétosztási algoritmusának kidolgozásával kapcsolatos vizsgálatokban felhasználtam a TFA modell DES-funkció tulajdonságát 1 és statisztika módszereket alkalmaztam figyelembe veendő a szimuláció gyorsításának és az eredmények bizonytalanságának szempontjait. A TFA módszer üzleti folyamatok modellezésére és szimulációjára történő kiterjesztéséhez, az EFA (Entity Flow-Phase Analysis) módszerhez szükséges elemzésekhez, az üzleti folyamatok modellezésére és vállalatmodellezésre vonatkozó megközelítéseket alkalmaztam, valamint valószínűségi modelleket és lineáris regressziós modellt az EFA entitás-terhelésének és változó aktivitáskapacitásának modellezéséhez. A térbeli szétosztási módszer működését IP hálózatkapacitás tervezésének példájával vizsgáltam, az EFA működésének vizsgálatához szimulációs modellt alkalmaztam. A szervezeti ICT és BP rendszerek gyors és részletes modelljeinek együttműködési módszeréhez, a modellek közötti konverzió rendszerének meghatározásához és az összevont modellek létrehozáshoz a gyors modellek DES-funkció tulajdonságát és a párhuzamos szimuláció módszereit [Fujimoto, 1990] használtam ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK Szimulációs meta-módszer téziscsoport PhD kutatásom során olyan módszereket dolgoztam ki, amelyek meta-szinten (a módszerek szintjén) növelik a szimuláció hatékonyságát, figyelembe veszik a rendszerek hard és szoft vonatkozásait (beleértve a rendszerek komplex jellemzőit), és támogatják a szimulációs folyamat kulcs feladatát, a szimulációs modell meghatározását is. 1 A TFA lehet egy funkcióhalmaz a DES (Descrete-Event Simulation) programban és használhatja a DES engine (szimulátor) virtuális idejét [Lencse, 2004]. 5

6 Tézis 1: A modellezés és szimuláció meta-szintű hatékonyságának javítása [4, 5, 7, 12] A. Az SMM definiálása a Jackson-Keys módszer kiterjesztésével és rendszer teljesítménykritériumok bevezetésével A Jackson-Keys módszert [Jackson és Keys, 1984] kiterjesztettem változó típusú problémakontextusokra. Ehhez definiáltam az E1, E2, E3 teljesítménykritériumokat (a Checkland-féle rendszer-performancia kritériumok alapján [Checkland, 1989]) és bevezettem az Eg teljesítménykritériumot (rés-hatékonyság) a lehetséges módszertani rés figyelembe vételére. A kiterjesztett Jakson-Keys módszer alapján bevezettem a dinamikus szimulációs problémakontextus fogalmát. A vállalati ICT és BP rendszerek problémakontextus jellemzőit valamint két- és négy-állapotú problémakontextus-típus modelleket figyelembe véve meghatároztam a szimulációs meta-módszert a módszerkészlete, struktúrája és működése szerint. B. Az SMM folyamat konvergenciájának vizsgálata Definiáltam az SMM folyamat problémakontextus visszakeresési modelljét. A Rijsbergen-féle összetett teljesítménymutató (precision és recall együttes figyelembevétele [Rijsbergen, 1979]) felhasználásával megmutattam, hogy bizonyos feltételek mellett az SMM folyamat konvergens. Leállási kritériumokat határoztam meg a folyamathoz. Tézis 2: A szoft-hard problémakontextus-átmenet hatékonyságának javítása [4, 6, 7] Definiáltam az MCMM (Modified Conceptual Modelling Methodology) módszert. Az MCMM, amely az SSM koncepcionális modelljeinek módosításán alapul, mind a szoft mind a hard problémakontextus-típusokhoz alkalmazható, eliminálva így a módszertani rés megjelenését a szoft-hard problémakontextus-átmenenet során. - Meghatároztam, hogy az MCMM modelljeiben hogyan biztosítható a kauzalitási feltételek teljesülése szervezeti ICT és BP rendszerek együttes modellezése esetén. - Eljárásokat határoztam meg az ICT és BP rendszerek struktúrájának és folyamatainak vizsgálatához az MCMM modellekben: az alrendszerek szükséges és elégséges relációinak vizsgálatához, az alrendszerek felbontásának megválasztásához (felbontási transzformációkkal), az 6

7 alrendszerek szinkronizálásához és az idő-dekompozícióhoz (végrehajtási-idő és végrehajtási-útvonal modellekkel). - Megmutattam, hogy a definiált eljárásokkal hogyan határozható meg modellezendő és szimulálandó ICT és BP alrendszerek halmaza. Gyors és együttműködő modellek téziscsoport Kutatásaim során a szimuláció hatékonyságának növeléséhez gyors, közelítő módszereket dolgoztam ki: módszereket dogoztam ki mind az ICT és mind a BP rendszerek gyors modellezéséhez. A különböző gyors, közelítő módszerek alkalmazása az előzetes modellezésben, illetve a részletes (DES) és a gyors modellek együttes használata a részletes modellezésben jelentősen javíthatják a szimuláció hatékonyságát. Tézis 3: A szimuláció gyorsítása a TFA módszer alapján [1, 3, 10, 11] A. A routing unit méretének meghatározása a TFA térbeli szétosztás során Definiáltam az alkalmazások aggregált forgalmának fa-modelljét, és azt felhasználva statisztikai megfontolásokon alapuló módszert adtam az alkalmazásmodellek routing unit méretének meghatározásához. A TFA eredményének kiértékeléséhez, az eredmények bizonytalanságának figyelembe vételéhez metrikát definiáltam, és megmutattam, hogy ennek segítségével hogyan finomítható a routing unit méretének megválasztása. B. A TFA módszer kiterjesztése BP rendszerekre: az Entiy Flow-Phase Analysis (EFA) módszer Megmutattam, hogy a TFA módszer miként terjeszthető ki BP rendszerekre: meghatároztam az entitásterhelés (entity-load) és a változó aktivitáskapacitások modelljeit. Megadtam a módszer alkalmazhatóságának kritériumait. 7

8 Tézis 4: Hatékonyságjavítás a gyors és részletes modellek együttműködésének módszerével [2, 8] Kidolgoztam a gyors és részletes modellek együttműködésének módszerét az ICT és kapcsolódó BP rendszerek modellezésének és szimulációjának részletes és előzetes fázisaihoz: - Meghatároztam a részletes modellezéshez, a modellek közötti konverzió és szinkronizáció rendszerét az ICT és kapcsolódó BP rendszerek kritikus és nemkritikus alrendszeinek modelljeihez (részletes és gyors modellek). - Megadtam a TFA (EFA) és összevont TFA (összevont EFA) modellek együttműködésének működési algoritmusát az előzetes modellezéshez. - Meghatároztam az együttműködő modellek párhuzamos végrehajthatóságának kritériumait ICT és kapcsolódó BP rendszerek részletes és előzetes modellezési fázisára. AZ EREDMÉNYEK HASZNOSÍTÁSA Az eredmények az Elassys Consulting Kft. alábbi, vállalati ICT és BP rendszerek együttes modellezését és szimulációját igénylő projektjeiben kerültek felhasználásra: - ERP rendszerhez csatlakoztatott rendszer és szimulációs modellek fejlesztése ICT-BP rendszerek kapacitás-tervezéséhez - BP teljesítmény javítás ICT rendser szolgáltatásainak integrálásával nagy telekommunikációs szolgáltatónál (A projekt eredményeit publikáltam [9].) - Nagyvállalati CRM rendszer modellezése és szimulációja - BCP-DRP (Business Continuity Plan Disaster Recovery Plan) szimulációja tervezéstámogatáshoz nagy energiaszolgáltatónál Az SMM-re vonatkozóan a módszerkészletre, az ICT és BP rendszerek szimulációs problémakontextus jellemzőinek meghatározására, a dinamikus problémakontextusra valamint a hatékonysági elvekre épülő problémakontextus és módszer illesztésére vonatkozó eredmények alkalmazására került sor, modellezési és szimulációs projektek tervezésében és végrehajtásában. Az MCM-re vonatkozóan a modellezendő és szimulálandó ICT és BP alrendszerek meghatározására, a szimuláció tervezésére vonatkozó eredmények kerültek felhasználásra. Az alrendszerek kritikusságának meghatározása a végrehajtási-időkre és a rendszer-időkre vonatkozó mért-gyűjtött (elsődleges és másodlagos) ERP/NMS 8

9 (Network Management System) adatokból statisztikai elemzéssel, illetve szimulációs eredmények alapján történt a rendszerkritikusság többféle az elméleti definícióra visszavezethető gyakorlati értelmezése mellett. Az együttműködő modellekre vonatkozóan az alrendszerek együttműködésének rendszer-modell mátrix segítségével történő elemzésére és az ICT-BP modellek konverzió rendszerének tervezésére vonatkozó eredmények kerültek felhasználásra. (Többféle modellező rendszer használata esetén elosztott modellezés és szimuláció valósult meg az egyszerűsített modellek elvének használata mellett.) A TFA/EFA módszerekre vonatkozó eredmények felhasználása: változó aktivitáskapacitás (terheléstől függő) modellezése regressziós modellel, historikus MIS (Management Information System) adatok alapján. IRODALMI HIVATKOZÁSOK LISTÁJA Checkland, P., Soft Systems Methodology, in Rational Analysis for a Problematic World, Edited by J. Rosenhead, John Wiley & Sons Ltd, Fujimoto, R. M., Parallel Discrete Event Simulation Communications of the ACM Vol. 33, No. 10, Jackson, M.C., Keys, P., Towards a System of Systems Methodologies J. Opl. Res. Soc. Vol. 35, No. 6, Lencse, G., Efficient Parallel Simulation with the Statistical Synchronization Method" Proceedings of the 1998 Conference on Communication Networks and Distributed Systems Modeling and Simulation (CNDS'98), (San Diego, CA, USA, January 11-14) SCS, 3-8. Lencse, G., Traffic-Flow Analysis for Fast Performance Estimation of Communication Systems Journal of Computing and Information Technology Vol. 9, No. 1, Lencse, G., Combination and Interworking of Traffic-Flow Analysis and Event-Driven Discrete Event Simulation, Proceedings of the 2004 European Simulation and Modelling Conference (ESM '2004), (Paris, France, Oct ) EUROSIS-ETI,

10 Pidd, M., Operations research/management science method In Operations Research in Management, Edited by Littlechild, S. and Shutler, M., Prentice Hall, UK. Sierhuis, M., Clancey W.J., Modeling and Simulating Work Practice: A Method for Work System Design, IEEE Intelligent Systems, September/October, Vol. 17, No. 5., van Rijsbergen, C.J., 1979, Information Retrieval Butterworth, London A TÉZISPONTOKHOZ KAPCSOLÓDÓ TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK [1] Lencse, G., Muka, L., Expanded Scope of Traffic-Flow Analysis: Entity Flow-Phase Analysis for Rapid Performance Evaluation of Enterprise Process Systems Proceedings of the 2006 European Simulation and Modelling Conference (ESM'2006) (Toulouse, France, Oct ) EUROSIS-ETI, [2] Lencse, G., Muka, L., Combination and Interworking of Four Modelling Methods for Infocommunications and Business Process Modelling Proceedings of the 5 th Industrial Simulation Conference 2007 (ISC'2007) (Delft, The Netherlands, Jun ) EUROSIS-ETI, [3] Lencse, G., Muka, L., Investigation of the Spatial Distribution Algorithm of the Traffic Flow Analysis and of the Entity Flow-Phase Analysis Proceedings of the 2007 European Simulation and Modelling Conference (ESM'2007) (St. Julians, Malta, Oct ) EUROSIS-ETI, [4] Muka, L., Lencse, G., Developing a Meta-Methodology Supporting the Application of Parallel Simulation Proceedings of the 2006 European Simulation and Modelling Conference (ESM'2006) (Toulouse, France, Oct ) EUROSIS-ETI, [5] Muka, L., Lencse, G., Hard and Soft Approaches in a Simulation Meta- Methodology Proceedings of the 5 th Industrial Simulation Conference 2007 (ISC'2007) (Delft, The Netherlands, Jun ) EUROSIS-ETI, [6] Muka, L., Lencse, G., Decision Support Method for Efficient Sequential and Parallel Simulation: Time Decomposition in Modified Conceptual Models 10

11 Proceedings of the 2007 European Simulation and Modelling Conference (ESM'2007) (St. Julians, Malta, Oct ) EUROSIS- ETI, [7] Muka, L., Lencse, G., Developing a meta-methodology for efficient simulation of infocommunication systems and related processes Infocommunications Journal, Vol. LXIII, No. 7, [8] Muka, L., Lencse, G., Cooperating Modelling Methods for Performance Evaluation of Interconnected Infocommunication and Business Process Systems Proceedings of the 2008 European Simulation and Modelling Conference (ESM'2008) (Le Havre, France, Oct ) EUROSIS-ETI, [9] Muka L., Muka G., BPR projekt támogatása komplex szinulációs modellel Minőség és Megbízhatóság, 2009/2, [10] Lencse, G., Muka, L., Entity Flow-Phase Analysis for Fast Performance Estimation of organisational Processes Acta Technica Jaurinensis, közlésre elfogadva. [11] Muka, L., Lencse, G., Improving the Spatial Distribution Algorithm of the Traffic Flow Analysis Acta Technica Jaurinensis, közlésre elfogadva. [12] Muka, L., Benko, B. K., Meta-level performance management of simulation: The problem context retrieval approach Periodica Polytechnica, elbírálás alatt. TOVÁBBI TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK [13] Lencse, G., Muka, L., Convergence of the Key Algorithm of Traffic-Flow Analysis Journal of Computing and Information Technology, Vol. 14, No. 2, [14] Muka L., Lencse G., Meta-módszer fejlesztése infokommunikációs rendszerek és kapcsolódó folyamatok hatékony szimulációjához Híradástechnika, Vol. LXIII, No. 2, [15] Lencse, G., Muka, L., Managing the Resolution of Simulation Models Proceedings of the 2008 European Simulation and Modelling Conference (ESM'2008) (Le Havre, France, Oct ) EUROSIS-ETI,